CPU使用率是如何计算的？

Question

在我的桌面上，有一个小部件可以告诉我当前的 CPU 使用情况。它还显示了我的两个核心的使用情况。

我一直想知道，CPU如何计算其处理能力的使用量？另外，如果 CPU 挂起执行一些密集的计算，它（或处理此活动的任何内容）如何检查使用情况，而不挂起？

Answer 1

有一个称为空闲任务的特殊任务，它在没有其他任务可以运行时运行。使用百分比只是我们不运行空闲任务的时间百分比。操作系统将保留运行空闲任务所花费的时间的运行总计：

• 当我们切换到空闲任务时，设置 t = 当前时间
• 当我们从空闲任务切换时，将（当前时间 - t）添加到运行总计

如果我们对运行总时间的两个样本相隔 n 秒，我们可以将运行空闲任务所花费的 n 秒的百分比计算为（第二个样本 - 第一个样本）/n

请注意，这是操作系统而不是 CPU 所做的事情。 CPU级别不存在任务的概念！ （实际上，空闲任务会通过 HLT 指令让处理器进入睡眠状态，因此 CPU 确实知道它何时不被使用）

至于第二个问题，现代操作系统是抢占式多任务的，这意味着操作系统可以随时离开您的任务。操作系统实际上是如何从你的任务中窃取 CPU 的？中断：http://en.wikipedia.org/wiki/Interrupt

Answer 2

CPU 本身不进行使用率计算。它可能具有使该任务变得更容易的硬件功能，但这主要是操作系统的工作。显然，实现的细节会有所不同（特别是在多核系统的情况下）。

总体思路是看看CPU需要做的事情的队列有多长。操作系统可以定期查看调度程序以确定它必须做的事情的数量。

这是 Linux 中执行上述计算的函数（摘自维基百科）：

#define FSHIFT   11  /* nr of bits of precision */
#define FIXED_1  (1<<FSHIFT) /* 1.0 as fixed-point */
#define LOAD_FREQ (5*HZ) /* 5 sec intervals */
#define EXP_1  1884  /* 1/exp(5sec/1min) as fixed-point */
#define EXP_5  2014  /* 1/exp(5sec/5min) */
#define EXP_15 2037  /* 1/exp(5sec/15min) */

#define CALC_LOAD(load,exp,n) \
    load *= exp; \
    load += n*(FIXED_1-exp); \
    load >>= FSHIFT;

unsigned long avenrun[3];

static inline void calc_load(unsigned long ticks)
{
    unsigned long active_tasks; /* fixed-point */
    static int count = LOAD_FREQ;

    count -= ticks;
    if (count < 0) {
        count += LOAD_FREQ;
        active_tasks = count_active_tasks();
        CALC_LOAD(avenrun[0], EXP_1, active_tasks);
        CALC_LOAD(avenrun[1], EXP_5, active_tasks);
        CALC_LOAD(avenrun[2], EXP_15, active_tasks);
    }
}

至于问题的第二部分，大多数现代操作系统都是多任务。这意味着操作系统不会让程序占用所有处理时间并且本身没有任何时间（除非您这样做）。换句话说，即使应用程序出现挂起，操作系统仍然可以窃取一些时间来完成自己的工作。

Answer 3

要获取 CPU 使用率，请定期对总进程时间进行采样，并找出差异。

例如，如果这些是进程 1 的 CPU 时间：

kernel: 1:00:00.0000
user:   9:00:00.0000

然后两秒后再次获取它们，它们是：

kernel: 1:00:00.0300
user:   9:00:00.6100

减去内核时间（相差 0.03）和用户时间(0.61)，将它们相加 (0.64)，然后除以 2 秒的采样时间 (0.32)。

因此在过去两秒内，该进程平均使用了 32% 的 CPU 时间。

获取此信息所需的特定系统调用在每个平台上（显然）是不同的。在 Windows 上，您可以使用 GetProcessTimes，或 < a href="http://msdn.microsoft.com/en-us/library/ms724400(VS.85).aspx" rel="noreferrer">GetSystemTimes（如果您想要总计的快捷方式） 已使用或空闲的CPU时间。

Answer 4

一种方法如下：

选择一个采样间隔，例如实际运行时间的每 5 分钟（300 秒）一次。您可以从 gettimeofday 获取此信息。

获取您在这 300 秒内使用的处理时间。您可以使用 times() 调用来获取它。这将是 new_process_time - old_process_time，其中 old_process_time 是您从上次时间间隔保存的进程时间。

您的 CPU 百分比为 (process_time/elapsed_time)*100.0
您可以设置一个警报，每 300 秒发出一次信号来进行这些计算。

我有一个进程，我不想使用超过特定目标 cpu 百分比的进程。这种方法效果很好，并且与我的系统监视器非常吻合。如果我们使用太多的CPU，我们会睡一会儿。

Answer 5

这是我接触过类似代码后的基本理解。任务管理器等程序或小部件访问 NtQuerySystemInformation() 等系统调用，并使用从操作系统收集的信息来简单计算 CPU 空闲或正在使用的时间百分比（在标准时间量内）。 CPU 知道它何时空闲，因此它可以确定何时不空闲。这些程序确实会被堵塞……我的破旧笔记本电脑的任务管理器在计算 CPU 使用率达到 100% 时始终冻结。

可以在 MSDN 网站上找到一些很酷的示例代码，其中显示了计算一组指令的 CPU 使用率的函数调用：http://msdn.microsoft.com/en-us/library/aa364157(VS.85).aspx

这些系统调用的作用是访问内核代码我相信……这超出了我的理解范围。

Answer 6

有多种方法可以做到这一点：

处理器维护多个衡量性能的计数器，您可以使用 Papi 接口访问它们。例如，这里有一个简短的介绍： http://blogs.oracle.com/jonh/entry/ Performance_counter_generic_events

还：http://www.drdobbs.com/tools/184406109

你可能想要的计数器是 PAPI_TOT_CYC 这是繁忙周期的数量（如果我没记错的话）

Answer 7

嗯，据我了解，

while(true){}

操作系统有一个巨大的循环。您的流程是在该循环内进行管理的。它允许外部代码直接在处理器上以块的形式执行。毫不夸张地说，这是对实际情况的超级简化。

Answer 8

1. CPU 不会“挂起”，它只是以峰值容量运行，这意味着它每秒处理的指令数量与其物理能力相同。
   计算 CPU 使用率的进程就是其中一些指令。如果应用程序尝试以比 CPU 能力更快的速度执行操作，那么它们就会被延迟，从而导致“挂起”。

2. CPU 利用率的计算基于总可用利用率。因此，如果一个 CPU 有两个核心，其中一个核心的使用率为 30%，另一个核心的使用率为 60%，则总体利用率为 45%。您还可以查看每个核心的使用情况。